昆虫体内聚乙烯降解研究简介*

王鱼名，李强文，罗 涛，张 宏

(西北民族大学化工学院 甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室，甘肃 兰州 730124)

聚乙烯(PE)由于具有高度稳定的C—C和C—H共价键，使其在自然条件下具有良好的机械性能与化学稳定性，难以在自然条件下降解[1-2]。研究表明[3-8]，某些昆虫取食PE并有着一定的降解作用，而其中以黄粉虫(Tenebrio molitor)为代表的一类昆虫，对恶劣环境适应能力强[9]，可用其处理以聚乙烯为代表的塑料废弃物。

1 实验材料

1.1 降解聚乙烯昆虫的种类及来源

昆虫对塑料的降解逐渐成为研究热点，目前降解聚乙烯的昆虫主要为大蜡螟(Galleria mellonella)和黄粉虫，以大蜡螟居多。详见表 1。

表1 降解聚乙烯昆虫种类及其来源详细

1.2 聚乙烯材料

昆虫体内聚乙烯降解相关研究所使用的聚乙烯材料，见表 2。

表2 降解实验聚乙烯材料使用详细

2 分离纯化菌种

2.1 菌种分离纯化基本思路

从昆虫肠道中分离出有聚乙烯降解效能的菌种，与其它分离菌种的基本操作步骤有所差别。

昆虫肠道中菌种分离的基本思路。第一,对实验昆虫要进行48 h的饥饿处理。饥饿处理的目的就是使肠道内容物对后续菌种分离的影响降低到最小。第二，虫体表面的消毒。虫体长期暴露在空气中，表面沾染了大量空气中存在的菌种，消毒操作可最大限度的降低虫体表面菌种对后续肠道菌种分离的影响。第三，肠道液的获取。这是获得肠道菌液的步骤，此步骤之后才能进行菌种培养操作。第四，富集培养。富集培养所要达到的目的是分离昆虫肠道存在的菌种，所使用的培养基为全营养培养基。第五，驯化培养。某些研究人员也称之为筛选培养。驯化培养的目的就是分离对聚乙烯有降解作用的菌种，所使用的培养基以聚乙烯为唯一碳源。

在消毒灭菌阶段：胡亚楠等人[3]在虫体表面消毒灭菌阶段使用的是乙醚溶液、0.1%的升汞溶液、无水乙醇和无菌水；刘亚飞[6]则使用的是无菌水和75%的乙醇溶液。在肠道液获取阶段，都是通过基本的解剖实验操作获得肠道后，在研钵中充分研磨得肠道液[3，6]。在富集驯化培养阶段：胡亚楠等人[3]是先通过全营养培养基来富集肠道液中的菌种，再以聚乙烯为唯一有机碳源的培养基来筛选(驯化)能够降解聚乙烯的菌种；而刘亚飞[6]则是先通过以聚乙烯为唯一有机碳源的培养基来筛选(驯化)能够降解聚乙烯的菌种，之后再以全营养培养基来富集筛选出能够以聚乙烯为唯一碳源的菌种。

2.2 菌种鉴定

2.2.1 菌落形态观察及生理生化鉴定

主要参考《常见细菌系统鉴定手册》[10]。对具有聚乙烯降解能力的菌落进行菌落特征、革兰氏染色和菌体细胞形态等方面的鉴定与表征，同时测定某些常见的生理生化特性[3，6]。

2.2.2 基因测序与系统发育分析

根据胡亚楠等人[3]及刘亚飞[6]的相关研究，测序及发育分析的基本思路为：DNA提取、PCR扩增、电泳检测、测序、核苷酸同源性比对与构建系统发育树。

3 聚乙烯评价表征方法

评价聚乙烯的降解效果是聚乙烯降解实验的重要一步。根据各种各类表征的方式的原理，可大致将聚乙烯的评价表征方法分为宏观表征和微观表征。其中宏观表征包括失重率的计算、力学性能的测定、聚乙烯颗粒在培养液中的位置、测量OD值和燃烧实验；微观表征则包含了扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪。

胡亚楠等人[3]采用了失重率、扫描电镜、红外光谱仪和力学性能测定来表征聚乙烯的降解效能。其中失重率为菌种处理前后聚乙烯质量差占处理前聚乙烯质量的百分比[11]，体现的是宏观质量的变化；扫描电镜的使用对象为聚乙烯膜片，体现的是聚乙烯膜片表面微观形貌的变化；傅里叶红外光谱仪能够体现出微观层面聚乙烯材料表面官能团的变化；力学性能则是通过万能试验机测定，此表征项目从宏观方向体现了聚乙烯材料经过菌种降解作用后的劣化程度。

刘亚飞[6]研究的降解实验，表征项目包括了聚乙烯颗粒的状态、测量OD值、扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱；聚乙烯颗粒的状态指的就是聚乙烯颗粒在液体培养基中是漂浮还是悬浮，利用的是降解作用之后聚乙烯平均密度的变化；OD值测量就是吸光度的测定，所展现的是菌种浓度的变化，但OD值的准确测定需要绘制菌种浓度的标准曲线和保证菌液的均一分散。

Ekaterina Pererva[5]也采用了傅里叶红外光谱用来表征官能团的变化，但不同的是此项研究红外表征的对象是未经降解作用的聚乙烯材料和昆虫虫体的粪便，展现的是聚乙烯材料经过虫体肠道一轮之后所发生的变化。

张可等人[8]用最简单的燃烧实验也展现了降解作用前后聚乙烯材料所发生的变化，具体步骤如下：使虫体粪便充分燃烧，并无聚乙烯材料燃烧时明显的刺激气味出现，以此判定聚乙烯材料发生了某种变化，但降解过程和降解产物仍需要进一步的分析研究。

4 聚乙烯降解效能

聚乙烯降解效能是进行生物降解实验所要追求的目标。

胡亚楠等人[3]研究：经过30 d的降解作用；聚乙烯材料的平均失重率为6.37%；膜体聚乙烯材料表面粗糙不平，出现孔洞和裂痕，而对照组则光滑平整； 碳氢伸缩振动吸收峰出现削弱；与对照相比，聚乙烯膜片拉升强度、断裂伸长率和弹性模量等力学性能指标明显下降。

刘亚飞[6]的研究：针对聚乙烯微粒的实验，使用液体培养基；实验开始时，聚乙烯微粒体积的1/3～1/2在液面以下；降解实验30 d之后，聚乙烯微粒全部体积在液面以下。以聚乙烯膜体材料为降解实验对象；对照组光滑整齐无异样，降解作用之后不同的聚乙烯材料分别出现了絮状凹凸、圆形凹凸、星射线状褶皱和孔洞；普通塑料保鲜袋出现了不饱和碳的碳氢键伸缩振动峰，分子结构发生了变化，但其峰值波动不大，变化较小。

5 讨论与展望

5.1 加快对虫体内部聚乙烯降解机理研究

针对虫体内部聚乙烯降解，相关研究有不同的具体效果，但是对于降解的具体变化过程的研究较少，而这却十分有必要。在探索清楚聚乙烯的降解机理之后，可改变一些客观条件去强化降解过程的某一个环节，可能会在聚乙烯的降解效能上有一个较大的提升。

5.2 生物降解技术开发与生物降解塑料研发双向发力，助力治理塑料污染

以聚乙烯为代表的塑料制品，相关的降解研究有一定的效果，但单独靠生物降解来消除塑料污染还不太现实，由此提出两项展望意见：第一，如前所述加强过程研究、强化降解关键环节，以提升微生物的降解能力，是一个着重点。第二，加大对生物降解塑料的研发投入，使塑料主体更容易被降解，是治理塑料污染的又一个重点。